金屬基復(fù)合材料課件

1.1金屬基復(fù)合材料的分類(lèi)

1.2金屬基體材料

1.3金屬基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)§1金屬基復(fù)合材料概論（2學(xué)時(shí)）11.1金屬基復(fù)合材料的分類(lèi)§1金屬基復(fù)合材料概1.1金屬基復(fù)合材料的分類(lèi)

金屬基復(fù)合材料：金屬或者合金

基體

高性能

增強(qiáng)體 分類(lèi)：種類(lèi)繁多，主要有三種分類(lèi)方式。21.1金屬基復(fù)合材料的分類(lèi)2（1）按增強(qiáng)體類(lèi)型分類(lèi)

顆粒、纖維、片層等增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料（2）按基體類(lèi)型分類(lèi)

鋁基復(fù)合材料：鋁及其合金為基體，應(yīng)用最廣

鈦基復(fù)合材料：鈦及其合金為基體，高溫強(qiáng)度保持好

鎂基復(fù)合材料：鎂及其合金為基體，比性能好

鎳基復(fù)合材料：鎳及其合金為基體，優(yōu)良高溫性能（3）按用途分類(lèi)

結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：用作承力構(gòu)件，強(qiáng)調(diào)材料力學(xué)性能

功能復(fù)合材料：強(qiáng)調(diào)物理性能（電、磁、聲、熱、光）3（1）按增強(qiáng)體類(lèi)型分類(lèi)31.2金屬基體材料1.2.1鋁及鋁合金

純鋁： 銀白色，2.72g/cm3，熔點(diǎn)、強(qiáng)度低

導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)異，制造電線(xiàn)、電纜

鋁合金： 密度2.5–2.88g/cm3，較好機(jī)械性能 常用作工程結(jié)構(gòu)材料 合金元素Si、Cu、Mg、Zn、Mn41.2金屬基體材料4圖5.1鋁合金相圖根據(jù)相圖鋁合金可分為：

鑄造鋁合金：共晶組織液態(tài)流動(dòng)性好適于鑄造

形變鋁合金：?jiǎn)蜗喙倘荏w組織塑性高適于壓力加工5圖5.1鋁合金相圖根據(jù)相圖鋁合金可分為：5表5.1形變鋁合金的分類(lèi)及性能特點(diǎn)6表5.1形變鋁合金的分類(lèi)及性能特點(diǎn)6771.2.2鈦及鈦合金純鈦：銀白色，熔點(diǎn)1668℃，相對(duì)密度為4.5g/cm3，比強(qiáng)度高，熱膨脹系數(shù)較小，彈性模量較低 882.5℃以下為α-Ti，以上β-Ti

耐硫酸、鹽酸、硝酸、氫氧化鈉溶液、濕氣、海水α鈦合金：強(qiáng)度、韌性及塑性好，高溫抗氧化較強(qiáng)，熱強(qiáng)性好

室溫強(qiáng)度較低，不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化β鈦合金：良好的塑性但很少應(yīng)用 （比重較大，耐熱性差及抗氧化性能低）a+β鈦合金：兼有兩者優(yōu)點(diǎn)，耐熱性和塑性都比較好 可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化（Ti-6Al-4V）81.2.2鈦及鈦合金81000910009

1.2.3鎂及鎂合金 純 鎂： 工業(yè)用金屬中最輕（1.74g/cm3）

合金比強(qiáng)度很高

塑性變形能力差（六方晶系，滑移系統(tǒng)少）

彈性模量小（有較大變形，可制造沖擊零件）

力學(xué)性能較差（不易用作結(jié)構(gòu)材料）

耐化學(xué)腐蝕能力差（表面氧化膜脆而不夠致密）101.2.3鎂及鎂合金101.2.4性能比較表5.3常用金屬基體材料的性能比較性能金屬TiAlMgNiFe密度，g/cm34.52.71.748.97.86熔點(diǎn)，C166866065114451535線(xiàn)膨脹系數(shù)，10-6/C923.12613.511.5導(dǎo)熱系數(shù)，W/m/K172181596184彈性模量，GPa112.572.443.6199214111.2.4性能比較性能金屬TiAlMgNiFe密度，g/c1.3金屬基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)1.3.1一般性能特點(diǎn)（1）高的比強(qiáng)度、比剛度 纖維增強(qiáng)：比強(qiáng)度、比模量明顯高于金屬基體 顆粒增強(qiáng)：比強(qiáng)度無(wú)明顯增加，但比模量明顯提高121.3金屬基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)12表5.4金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能一覽表復(fù)合材料增強(qiáng)相含量,vol%抗拉強(qiáng)度，MPa拉伸模量，GPa密度，g/cm3BF/AlCVDSiCF/AlNicalonSiCF/AlCF/AlFPAl2O3F/AlSumicaAl2O3F/AlSiCW/AlSiCP/AlCVDSiCF/TiBF/Ti505035~4035505018~202035451200~15001300~1500700~900500~800650900500~620400~5101500~17501300~1500200~220210~23095~110100138~100210~2302202.62.85~3.02.62.43.32.92.82.83.93.713表5.4金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能一覽表復(fù)合材料增強(qiáng)相含量,（2）高的韌性和沖擊性能 相對(duì)聚合物、陶瓷基復(fù)合材料而言，金屬基復(fù)合材料具有較高的韌性和耐沖擊性能！

原因：金屬基體屬于典型韌性材料，受到?jīng)_擊時(shí)能通過(guò)塑性變形吸收能量，或使裂紋鈍化、減小應(yīng)力集中而改善韌性14（2）高的韌性和沖擊性能14硼/鋁裂紋擴(kuò)展1）裂紋尖端最大應(yīng)力可達(dá)350MPa，接近基體拉伸強(qiáng)度2）纖維局部強(qiáng)度接近4.2GPa3）裂紋垂直于外載荷方向擴(kuò)展時(shí)，受到纖維/基體界面阻滯4）裂紋在界面擴(kuò)展鈍化（吸收能量）5）裂紋因基體塑性剪切變形而鈍化（吸收能量）15硼/鋁裂紋擴(kuò)展15圖5.2金屬基復(fù)合材料中裂紋的鈍化16圖5.2金屬基復(fù)合材料中裂紋的鈍化16（3）良好的高溫性能

金屬基體高溫性能較之聚合物高很多；增強(qiáng)體多為高溫性能良好的無(wú)機(jī)材料。（4）導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好 金屬基體具有良好導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能17（3）良好的高溫性能17（5）表面耐久性好，表面缺陷敏感性低 金屬基體能通過(guò)塑性變形來(lái)接受能量，或使裂紋鈍化。（晶須、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料常用做工程中的耐磨部件使用）（6）熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好

硼/鈦、石墨/鎂、碳/鋁等經(jīng)設(shè)計(jì)后熱膨脹系數(shù)可非常小18（5）表面耐久性好，表面缺陷敏感性低181.3.2纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的性能（1）強(qiáng)度和模量 縱向性能主要取決于纖維性能和體積比； 橫向性能與基體性能關(guān)系很大； 高溫性能同時(shí)與材料界面結(jié)合和穩(wěn)定性有密切關(guān)系。191.3.2纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的性能19（2）沖擊性能

室溫沖擊性能：大直徑纖維有益（相同纖維體積分?jǐn)?shù)）

高溫沖擊性能：比室溫有較大提高（高溫時(shí)基體韌性好）

熱處理對(duì)沖擊性能的影響：明顯降低（界面變得不穩(wěn)定）20（2）沖擊性能20（3）蠕變性能

蠕變概念：恒定負(fù)載

下產(chǎn)生的與時(shí)間有關(guān)的形變

蠕變使構(gòu)件尺寸變化并可能構(gòu)成對(duì)材料的破壞

蠕變分類(lèi)：溫度不同，蠕變曲線(xiàn)有較大的區(qū)別

溫度較低時(shí)a曲線(xiàn)，溫度較高時(shí)b曲線(xiàn)，溫度更高時(shí)c曲線(xiàn)一般稱(chēng)a曲線(xiàn)和b曲線(xiàn)為穩(wěn)態(tài)蠕變21（3）蠕變性能21圖5.3金屬材料的蠕變曲線(xiàn)示意圖溫度較低時(shí)（a曲線(xiàn)），1為瞬時(shí)應(yīng)變，隨時(shí)間延長(zhǎng)趨于一定值2；溫較高時(shí)（b曲線(xiàn)），快速增加、穩(wěn)定增加、快速增加三個(gè)階段；溫度更高時(shí)（c曲線(xiàn)），穩(wěn)態(tài)蠕變更短，加速階段很快到來(lái)22圖5.3金屬材料的蠕變曲線(xiàn)示意圖溫度較低時(shí)（a曲線(xiàn)），1 b曲線(xiàn)穩(wěn)態(tài)蠕變中，蠕變速率與應(yīng)力和溫度有關(guān)：

=Anexp(-Q/RT)（阿累尼烏斯方程）

上式中，A、n：為材料常數(shù)

：所受應(yīng)力 Q：自擴(kuò)散激活能 R：氣體常數(shù) T：溫度蠕變產(chǎn)生的原因？高溫的作用？23 b曲線(xiàn)穩(wěn)態(tài)蠕變中，蠕變速率與應(yīng)力和溫度有關(guān)：23

纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料抗蠕變性能：

1）當(dāng)基體和增強(qiáng)體熔點(diǎn)接近時(shí)，二者均會(huì)發(fā)生高溫蠕變 2）脆性纖維增強(qiáng)時(shí)蠕變曲線(xiàn)類(lèi)似于a曲線(xiàn) 3）B、SiC纖維復(fù)合材料抗蠕變性能優(yōu)與基體合金24 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料抗蠕變性能：24（4）疲勞性能

疲勞斷裂：循環(huán)應(yīng)力(小于斷裂應(yīng)力)作用下的突然斷裂 S–N曲線(xiàn)：應(yīng)力極大值S（或）對(duì)循環(huán)次數(shù)N的對(duì)數(shù)圖 疲勞極限：規(guī)定循環(huán)次數(shù)為107時(shí)產(chǎn)生疲勞斷裂所需應(yīng)力25（4）疲勞性能25

纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料疲勞性能： 1）與拉伸強(qiáng)度比值達(dá)0.6~0.7，約為基體2倍！ 2）隨加入纖維強(qiáng)度及體積含量增高而增大 （軸向有最大值，徑向只有少量提高）26 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料疲勞性能：26復(fù)合材料疲勞產(chǎn)生（與疲勞裂紋產(chǎn)生有關(guān)）

1）當(dāng)纖維與基體強(qiáng)度比值高時(shí)，纖維/基體界面起裂， 成為影響疲勞壽命的主要原因；2）當(dāng)纖維與基體強(qiáng)度比值低，裂紋擴(kuò)展速率影響疲勞壽命，而且裂紋將穿越纖維，造成較低的疲勞性能。27復(fù)合材料疲勞產(chǎn)生（與疲勞裂紋產(chǎn)生有關(guān)）27 高溫對(duì)纖維/金屬基復(fù)合材料疲勞性能影響：有所下降 （纖維性能退化、界面脫粘、基體脆性增加）

其它影響因素：纖維分布、表面缺陷、界面結(jié)合

弱的纖維/基體界面結(jié)合有時(shí)也會(huì)改善材料疲勞性能 （可形成二次裂紋或改變其方向，能延緩疲勞裂紋擴(kuò)展）28 高溫對(duì)纖維/金屬基復(fù)合材料疲勞性能影響：有所下降 （纖維性1.3.3顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的性能（1）強(qiáng)度和模量強(qiáng)度：與顆粒在基體中分布的平均間距Dp有關(guān) （Dp越小，屈服強(qiáng)度越高） 模量：與顆粒形狀有關(guān) （長(zhǎng)徑比值增大，對(duì)混合定律偏差減小）291.3.3顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的性能29（2）斷裂韌性

影響因素：顆粒大小、顆粒及晶須取向

等

隨著直徑d增加、體積含量減少，復(fù)合材料斷裂韌性增加

PRMMC的斷裂韌性一般要優(yōu)于WRMMC（晶須前沿會(huì)造成應(yīng)力集中，容易引發(fā)裂紋）30（2）斷裂韌性30（3）蠕變性能 1）顆粒及晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料蠕變行為與纖維增強(qiáng)相當(dāng) 2）顆粒與晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料要比基體蠕變強(qiáng)度更高 3）與顆粒增強(qiáng)相比，晶須增強(qiáng)時(shí)蠕變速率更低31（3）蠕變性能31（4）疲勞性能

1）顆粒及晶須增強(qiáng)后疲勞強(qiáng)度、疲勞壽命比基體金屬高 2）顆粒增強(qiáng)與晶須增強(qiáng)時(shí)復(fù)合材料疲勞性能基本接近32（4）疲勞性能32晶須增強(qiáng)時(shí)疲勞裂紋萌生位置： 1）晶須端部或與基體的界面處 2）晶須密集處及顯微缺陷處

晶須增強(qiáng)時(shí)內(nèi)應(yīng)力形成： 1）界面有較大內(nèi)應(yīng)力（晶須與基體強(qiáng)度和變形能力不同） 2）晶須密集處或基體中顯微缺陷處存在較大內(nèi)應(yīng)力33晶須增強(qiáng)時(shí)疲勞裂紋萌生位置：33§3鋁基復(fù)合材料3.1顆粒（晶須）增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（1）增強(qiáng)顆粒（晶須） 增強(qiáng)顆粒（晶須）： 碳化硅、氧化鋁、

碳化硼、氧化硅、碳化鈦 增強(qiáng)體性能特點(diǎn)： 高強(qiáng)度、高模量、

高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性

34§3鋁基復(fù)合材料34（2）制備方法

固態(tài)法：粉末冶金法、熱等靜壓法、擠壓法

液態(tài)法：壓力鑄造法、壓力浸漬法、攪拌法、噴射法 （鋁熔點(diǎn)低，液態(tài)法較常用） 優(yōu) 點(diǎn)：制造方法簡(jiǎn)單、增強(qiáng)體價(jià)格低廉，應(yīng)用前景廣闊35（2）制備方法35（3）性能特點(diǎn)

SiCp/Al、SiCw/Al具有良好的力學(xué)性能和耐磨性能

強(qiáng)度&模量：比基體高

(增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)增大，性能提高)

一般說(shuō)來(lái)增強(qiáng)顆粒越小，則復(fù)合材料強(qiáng)度越高

熱膨脹系數(shù)：低于基體材料增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)增加則減小36（3）性能特點(diǎn)36

斷裂韌性：較之鋁合金

下降很多（脆性碳化硅顆粒）

耐磨性：較之鋁合金耐磨性增加很多（脆性碳化硅顆粒） 耐磨性甚至比鑄鐵還高 常用作汽車(chē)剎車(chē)片37 斷裂韌性：較之鋁合金下降很多（脆性碳化硅顆粒）37表5.5材料耐磨性比較磨痕寬度，mm稀土鋁硅合金66-12Al2O3纖維-鋁SiC顆粒-鋁高鎳奧氏體鑄鐵最大1.94751.5000.94251.1670最小1.84761.3250.8651.1275平均1.8971.4120.90371.141238表5.5材料耐磨性比較磨痕寬度，mm稀土鋁硅合金66-123.2纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（1）分類(lèi)及制備方法 纖維分類(lèi)：長(zhǎng)纖維、短纖維（前者增強(qiáng)性能一般優(yōu)于后者） 制備方法：固態(tài)法（熱壓法、熱等靜壓法）

液態(tài)法（壓力鑄造法、浸漬法）393.2纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料39（2）長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料

硼、碳、碳化硅、氧化鋁等纖維和不銹鋼絲a）硼纖維/鋁基復(fù)合材料（Bf/Al） 硼纖維：鎢、碳芯粗纖維（100–140微米）（CVD） 性能改進(jìn)：增強(qiáng)后基體合金性能有很大提高 （特別是高溫性能有很大提高）

Bf/Al性能受纖維直徑、方向、鋪排方式影響很大40（2）長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料40

室溫縱向拉伸強(qiáng)度和模量：比基體合金高

隨增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)增大而有很大提高

高溫縱向拉伸強(qiáng)度和模量：隨溫度升高而下降

下降不劇烈（500度保持一半強(qiáng)度，500MPa）

熱膨脹系數(shù)：取決于纖維熱膨脹系數(shù)

界面存在很大應(yīng)力集中（熱膨脹系數(shù)相差大）41 室溫縱向拉伸強(qiáng)度和模量：比基體合金高41b）碳纖維/鋁基復(fù)合材料（Cf/Al） 碳纖維：密度小、力學(xué)性能非常優(yōu)異、價(jià)格便宜 面臨問(wèn)題：與鋁浸潤(rùn)性差、高溫下容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng) （生成嚴(yán)重影響材料性能的Al4C3） 解決辦法：不直接使用，進(jìn)行表面處理（鍍金屬）42b）碳纖維/鋁基復(fù)合材料（Cf/Al）42Cf/Al制造方法：

擴(kuò)散結(jié)合：纖維黏附基體金屬，纖維重疊排列， 熱壓擴(kuò)散結(jié)合（纖維先驅(qū)體）

擠壓鑄造：纖維預(yù)成型體置于金屬膜中，適當(dāng)加熱， 加壓浸入熔融基體金屬、高壓冷卻凝固

浸漬法：纖維預(yù)制成型，浸入液態(tài)金屬冷卻凝固。

溫度過(guò)高（注意界面反應(yīng)控制）43Cf/Al制造方法：43c）碳化硅纖維/鋁基復(fù)合材料（SiCf/Al）

有芯纖維：鎢、碳芯經(jīng)化學(xué)氣象沉積制備（直徑較粗）

表面游離碳少、含氧量低，與鋁不易反應(yīng)

容易制備復(fù)合材料

無(wú)芯纖維：聚碳硅烷熱處理獲得（一束多絲）

表面有較多游離碳和氧，易和鋁反應(yīng)

制造復(fù)合材料比較困難44c）碳化硅纖維/鋁基復(fù)合材料（SiCf/Al）44纖維優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)異力學(xué)性能、較強(qiáng)高溫抗氧化能力(較之Bf、Cf)

與鋁相容性好（鋁合金的較好增強(qiáng)體）SiCf/Al制備方法：熱壓擴(kuò)散法、加壓鑄造法、浸漬法SiCf/Al性能：高抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和優(yōu)異耐磨性能

優(yōu)異高溫性能（400度以下強(qiáng)度降低很少）45纖維優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)異力學(xué)性能、較強(qiáng)高溫抗氧化能力(較之Bf、Cf)（3）短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料

纖維種類(lèi)：Al2O3、SiC

增強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)：增強(qiáng)體來(lái)源廣、價(jià)格低、成型性好 （可采用傳統(tǒng)金屬成型工藝如鑄、鍛、軋等）

性能特點(diǎn)：室溫拉伸強(qiáng)度無(wú)明顯改善，有時(shí)有降低

彈性模量在室溫和高溫都有較大提高

基體合金高溫性能得到很大提高

基體合金耐磨性有明顯改善

熱膨脹系數(shù)減小46（3）短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料463.3鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用（1）長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用航空航天領(lǐng)域（高比強(qiáng)度比模量、尺寸穩(wěn)定性好、價(jià)格貴）

Bf/Al：航天飛機(jī)機(jī)身框架及支柱、飛機(jī)起落架部件、 飛機(jī)機(jī)翼蒙皮、飛機(jī)垂直尾翼、導(dǎo)彈構(gòu)件、 多層半導(dǎo)體芯片支座散熱冷卻板 （導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體匹配）473.3鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用47

Cf/Al：比模量高、導(dǎo)電導(dǎo)熱、尺寸穩(wěn)定性好 衛(wèi)星拋物面天線(xiàn)骨架（尺寸穩(wěn)定性好） 飛機(jī)某些構(gòu)件（有助于減輕重量）

SiCf/Al：飛機(jī)、導(dǎo)彈、發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫構(gòu)件（2）短纖維、顆粒、晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用 性能優(yōu)異，應(yīng)用前景廣闊，價(jià)格相對(duì)便宜（參閱教材74頁(yè)內(nèi)容）48 Cf/Al：比模量高、導(dǎo)電導(dǎo)熱、尺寸穩(wěn)定性好§4鈦基復(fù)合材料4.1概述

鈦合金：優(yōu)良的耐高溫性能、耐腐蝕性能、低的密度

性能不能滿(mǎn)足航空和航天等領(lǐng)域的進(jìn)一步要求

鈦基復(fù)合材料： 克服基體合金耐磨性、模量低的缺點(diǎn)

更高比強(qiáng)度、比模量

極佳耐疲勞、抗蠕變性能

優(yōu)異高溫性能、耐腐蝕性能49§4鈦基復(fù)合材料49

制備工藝特點(diǎn)：要經(jīng)歷800–1200度高溫暴露 容易和增強(qiáng)體發(fā)生界面反應(yīng)

基體合金選擇：TiAl(γ)、Ti3Al(α2)（良好高溫抗氧化性）

Ti2NbAl

（良好塑性、抗氧化性）

工業(yè)純鈦不適合（與SiC纖維有劇烈反應(yīng)）50 制備工藝特點(diǎn)：要經(jīng)歷800–1200度高溫暴露504.2顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料

工藝特點(diǎn)：簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)（較之纖維增強(qiáng)）

精密鑄造、粉末冶金、擠壓、鍛造

常用基體：TiAl（γ）、Ti3Al（α2）

常用顆粒：碳化硅、碳化鈦、碳化硼514.2顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料51

顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料性能特點(diǎn)： 1）各向同性 2）硬度、剛度、耐磨性明顯改善 3）塑性、韌性、耐疲勞性能有所下降 4）室溫拉伸強(qiáng)度與基體相近甚至不如基體 5）高溫強(qiáng)度比基體合金好52 顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料性能特點(diǎn)：524.3長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料

制備工藝： 成型工藝復(fù)雜

固相法（熱壓、熱等靜壓）

纖維與基體要求：物理參數(shù)要匹配（熱膨脹系數(shù)） 良好熱穩(wěn)定性

良好高溫性能

增強(qiáng)纖維：與鈦不易發(fā)生反應(yīng)

碳化硅纖維、碳化鈦纖維、

碳化硅包覆硼纖維、耐高溫金屬纖維534.3長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料53

性能特點(diǎn)

縱向力學(xué)性能：強(qiáng)度、模量、抗蠕變性能等比基體合金高

橫向力學(xué)性能：不如基體合金（約為基體合金的1/3-1/2） （增強(qiáng)體與基體合金之間形成弱界面）

耐疲勞性能：良好耐疲勞性能 （弱界面有利于組止疲勞裂紋生長(zhǎng)）54 性能特點(diǎn)54 4.4鈦基復(fù)合材料的應(yīng)用

航空航天領(lǐng)域（如航天飛機(jī)的機(jī)身構(gòu)件）

軍事領(lǐng)域（如導(dǎo)彈尾翼）

汽車(chē)工業(yè)

醫(yī)療領(lǐng)域

55 4.4鈦基復(fù)合材料的應(yīng)用55§5鎂基復(fù)合材料5.1常用基體合金

純鎂：強(qiáng)度低，不適于用作基體材料

鎂合金：加入合金元素（固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化）

Al、Mn、Zr（強(qiáng)度、耐腐蝕性）

稀土金屬（鑄造性能、焊接性能，耐熱性）56§5鎂基復(fù)合材料565.2常用增強(qiáng)體

鎂合金特點(diǎn)：化學(xué)性質(zhì)更加活潑，要充分考慮界面反應(yīng)

增強(qiáng)體選擇原則：物理化學(xué)相容性、界面潤(rùn)濕性好 盡量避免界面反應(yīng)

常用增強(qiáng)體：涉及Cf、Bf、Al2O3p、SiCp、BCp、SiCw等575.2常用增強(qiáng)體57Al2O3：界面反應(yīng)強(qiáng)烈（鎂能還原出鋁）,不適合用作增強(qiáng)體Cf：強(qiáng)度高而質(zhì)輕，與合金反應(yīng)而損傷纖維(不與純鎂反應(yīng))

用作增強(qiáng)體時(shí)要進(jìn)行表面涂層處理BC：不與純鎂反應(yīng)，適于增強(qiáng)鎂合金

表面游離B2O3與鎂反應(yīng)生成MgB2（增加界面潤(rùn)濕性）SiC：與鎂合金沒(méi)有強(qiáng)烈界面反應(yīng)，適于增強(qiáng)鎂合金58Al2O3：界面反應(yīng)強(qiáng)烈（鎂能還原出鋁）,不適合用作增強(qiáng)體5.3鎂基復(fù)合材料的制備方法

擠壓鑄造法：增強(qiáng)體均勻分散、模壓成型獲得增強(qiáng)體預(yù)制塊 鎂合金加壓滲透到預(yù)制塊中冷卻凝固

攪拌鑄造法：增強(qiáng)體加入液態(tài)或者半固態(tài)鎂合金，攪拌鑄造

粉末冶金法：鎂合金、增強(qiáng)體混合，模壓成型，熱壓燒結(jié)

噴射沉積法：高壓惰性氣體噴射霧化鎂合金、增強(qiáng)顆粒

真空浸滲法：液態(tài)金屬真空負(fù)壓滲入預(yù)制體595.3鎂基復(fù)合材料的制備方法595.4鎂基復(fù)合材料的性能特征

位錯(cuò)強(qiáng)化：鎂合金、增強(qiáng)體之間存在熱膨脹系數(shù)很大差別 結(jié)合界面很大應(yīng)力集中（基體塑性變形）

高密度位錯(cuò)（位錯(cuò)強(qiáng)化，提高強(qiáng)度、剛度）

細(xì)晶強(qiáng)化：增強(qiáng)體有細(xì)晶強(qiáng)化作用

基體性能明顯改善，強(qiáng)度、剛度、硬度提高，延伸率下降605.4鎂基復(fù)合材料的性能特征605.5鎂基復(fù)合材料的應(yīng)用 鎂基復(fù)合材料：密度小、比強(qiáng)度和比剛度高

良好尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)良鑄造性能

良好阻尼減振、電磁屏蔽、耐磨性 廣闊應(yīng)用前景：汽車(chē)制造行業(yè)（減震軸、活塞環(huán)、支架）

通訊電子行業(yè)（手機(jī)、筆記本電腦外殼）

一般工業(yè)（油泵外殼、安全閥、止推板）615.5鎂基復(fù)合材料的應(yīng)用61§6鎳基復(fù)合材料6.1常用基體合金

Ni3Al：密度較小、屈服強(qiáng)度在600度左右達(dá)到峰值

NiAl：高熔點(diǎn)、低密度、極佳抗氧化性能6.2常用增強(qiáng)體

Al2O3、SiC、TiC、TiB2等的顆粒、晶須、纖維62§6鎳基復(fù)合材料626.3鎳基復(fù)合材料的制備方法

制備特點(diǎn)：鎳熔點(diǎn)高（1453度）（一般采用固態(tài)法） 制造溫度高（界面反應(yīng)可能性增加）

表面處理：增強(qiáng)體表面進(jìn)行涂層處理

避免界面反應(yīng)發(fā)生、改善潤(rùn)濕性、緩和殘余應(yīng)力636.3鎳基復(fù)合材料的制備方法63常用方法： 纖維增強(qiáng)：熱壓擴(kuò)散[Al2O3涂層處理、熱壓(1200度)] 顆粒、晶須增強(qiáng)：粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法64常用方法：646.4鎳基復(fù)合材料的性能特征

顆粒增強(qiáng)效果明顯：屈服強(qiáng)度、模量明顯提高，延伸率下降、塑性降低圖5.27Al2O3/Ni3Al、Ni3Al基體（真空熱壓+熱擠壓）、鑄造Ni3Al的比屈服強(qiáng)度和溫度的關(guān)系656.4鎳基復(fù)合材料的性能特征圖5.27Al2O3/Ni36.5鎳基復(fù)合材料的應(yīng)用 由于制造溫度太高，目前這類(lèi)材料的制造技術(shù)還處于初期階段，其研究和應(yīng)用尚待進(jìn)一步研究。666.5鎳基復(fù)合材料的應(yīng)用66

1.1金屬基復(fù)合材料的分類(lèi)

1.2金屬基體材料

1.3金屬基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)§1金屬基復(fù)合材料概論（2學(xué)時(shí)）671.1金屬基復(fù)合材料的分類(lèi)§1金屬基復(fù)合材料概1.1金屬基復(fù)合材料的分類(lèi)

金屬基復(fù)合材料：金屬或者合金

基體

高性能

增強(qiáng)體 分類(lèi)：種類(lèi)繁多，主要有三種分類(lèi)方式。681.1金屬基復(fù)合材料的分類(lèi)2（1）按增強(qiáng)體類(lèi)型分類(lèi)

顆粒、纖維、片層等增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料（2）按基體類(lèi)型分類(lèi)

鋁基復(fù)合材料：鋁及其合金為基體，應(yīng)用最廣

鈦基復(fù)合材料：鈦及其合金為基體，高溫強(qiáng)度保持好

鎂基復(fù)合材料：鎂及其合金為基體，比性能好

鎳基復(fù)合材料：鎳及其合金為基體，優(yōu)良高溫性能（3）按用途分類(lèi)

結(jié)構(gòu)復(fù)合材料：用作承力構(gòu)件，強(qiáng)調(diào)材料力學(xué)性能

功能復(fù)合材料：強(qiáng)調(diào)物理性能（電、磁、聲、熱、光）69（1）按增強(qiáng)體類(lèi)型分類(lèi)31.2金屬基體材料1.2.1鋁及鋁合金

純鋁： 銀白色，2.72g/cm3，熔點(diǎn)、強(qiáng)度低

導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)異，制造電線(xiàn)、電纜

鋁合金： 密度2.5–2.88g/cm3，較好機(jī)械性能 常用作工程結(jié)構(gòu)材料 合金元素Si、Cu、Mg、Zn、Mn701.2金屬基體材料4圖5.1鋁合金相圖根據(jù)相圖鋁合金可分為：

鑄造鋁合金：共晶組織液態(tài)流動(dòng)性好適于鑄造

形變鋁合金：?jiǎn)蜗喙倘荏w組織塑性高適于壓力加工71圖5.1鋁合金相圖根據(jù)相圖鋁合金可分為：5表5.1形變鋁合金的分類(lèi)及性能特點(diǎn)72表5.1形變鋁合金的分類(lèi)及性能特點(diǎn)67371.2.2鈦及鈦合金純鈦：銀白色，熔點(diǎn)1668℃，相對(duì)密度為4.5g/cm3，比強(qiáng)度高，熱膨脹系數(shù)較小，彈性模量較低 882.5℃以下為α-Ti，以上β-Ti

耐硫酸、鹽酸、硝酸、氫氧化鈉溶液、濕氣、海水α鈦合金：強(qiáng)度、韌性及塑性好，高溫抗氧化較強(qiáng)，熱強(qiáng)性好

室溫強(qiáng)度較低，不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化β鈦合金：良好的塑性但很少應(yīng)用 （比重較大，耐熱性差及抗氧化性能低）a+β鈦合金：兼有兩者優(yōu)點(diǎn)，耐熱性和塑性都比較好 可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化（Ti-6Al-4V）741.2.2鈦及鈦合金810007510009

1.2.3鎂及鎂合金 純 鎂： 工業(yè)用金屬中最輕（1.74g/cm3）

合金比強(qiáng)度很高

塑性變形能力差（六方晶系，滑移系統(tǒng)少）

彈性模量?。ㄓ休^大變形，可制造沖擊零件）

力學(xué)性能較差（不易用作結(jié)構(gòu)材料）

耐化學(xué)腐蝕能力差（表面氧化膜脆而不夠致密）761.2.3鎂及鎂合金101.2.4性能比較表5.3常用金屬基體材料的性能比較性能金屬TiAlMgNiFe密度，g/cm34.52.71.748.97.86熔點(diǎn)，C166866065114451535線(xiàn)膨脹系數(shù)，10-6/C923.12613.511.5導(dǎo)熱系數(shù)，W/m/K172181596184彈性模量，GPa112.572.443.6199214771.2.4性能比較性能金屬TiAlMgNiFe密度，g/c1.3金屬基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)1.3.1一般性能特點(diǎn)（1）高的比強(qiáng)度、比剛度 纖維增強(qiáng)：比強(qiáng)度、比模量明顯高于金屬基體 顆粒增強(qiáng)：比強(qiáng)度無(wú)明顯增加，但比模量明顯提高781.3金屬基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)12表5.4金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能一覽表復(fù)合材料增強(qiáng)相含量,vol%抗拉強(qiáng)度，MPa拉伸模量，GPa密度，g/cm3BF/AlCVDSiCF/AlNicalonSiCF/AlCF/AlFPAl2O3F/AlSumicaAl2O3F/AlSiCW/AlSiCP/AlCVDSiCF/TiBF/Ti505035~4035505018~202035451200~15001300~1500700~900500~800650900500~620400~5101500~17501300~1500200~220210~23095~110100138~100210~2302202.62.85~3.02.62.43.32.92.82.83.93.779表5.4金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能一覽表復(fù)合材料增強(qiáng)相含量,（2）高的韌性和沖擊性能 相對(duì)聚合物、陶瓷基復(fù)合材料而言，金屬基復(fù)合材料具有較高的韌性和耐沖擊性能！

原因：金屬基體屬于典型韌性材料，受到?jīng)_擊時(shí)能通過(guò)塑性變形吸收能量，或使裂紋鈍化、減小應(yīng)力集中而改善韌性80（2）高的韌性和沖擊性能14硼/鋁裂紋擴(kuò)展1）裂紋尖端最大應(yīng)力可達(dá)350MPa，接近基體拉伸強(qiáng)度2）纖維局部強(qiáng)度接近4.2GPa3）裂紋垂直于外載荷方向擴(kuò)展時(shí)，受到纖維/基體界面阻滯4）裂紋在界面擴(kuò)展鈍化（吸收能量）5）裂紋因基體塑性剪切變形而鈍化（吸收能量）81硼/鋁裂紋擴(kuò)展15圖5.2金屬基復(fù)合材料中裂紋的鈍化82圖5.2金屬基復(fù)合材料中裂紋的鈍化16（3）良好的高溫性能

金屬基體高溫性能較之聚合物高很多；增強(qiáng)體多為高溫性能良好的無(wú)機(jī)材料。（4）導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好 金屬基體具有良好導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能83（3）良好的高溫性能17（5）表面耐久性好，表面缺陷敏感性低 金屬基體能通過(guò)塑性變形來(lái)接受能量，或使裂紋鈍化。（晶須、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料常用做工程中的耐磨部件使用）（6）熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好

硼/鈦、石墨/鎂、碳/鋁等經(jīng)設(shè)計(jì)后熱膨脹系數(shù)可非常小84（5）表面耐久性好，表面缺陷敏感性低181.3.2纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的性能（1）強(qiáng)度和模量 縱向性能主要取決于纖維性能和體積比； 橫向性能與基體性能關(guān)系很大； 高溫性能同時(shí)與材料界面結(jié)合和穩(wěn)定性有密切關(guān)系。851.3.2纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的性能19（2）沖擊性能

室溫沖擊性能：大直徑纖維有益（相同纖維體積分?jǐn)?shù)）

高溫沖擊性能：比室溫有較大提高（高溫時(shí)基體韌性好）

熱處理對(duì)沖擊性能的影響：明顯降低（界面變得不穩(wěn)定）86（2）沖擊性能20（3）蠕變性能

蠕變概念：恒定負(fù)載

下產(chǎn)生的與時(shí)間有關(guān)的形變

蠕變使構(gòu)件尺寸變化并可能構(gòu)成對(duì)材料的破壞

蠕變分類(lèi)：溫度不同，蠕變曲線(xiàn)有較大的區(qū)別

溫度較低時(shí)a曲線(xiàn)，溫度較高時(shí)b曲線(xiàn)，溫度更高時(shí)c曲線(xiàn)一般稱(chēng)a曲線(xiàn)和b曲線(xiàn)為穩(wěn)態(tài)蠕變87（3）蠕變性能21圖5.3金屬材料的蠕變曲線(xiàn)示意圖溫度較低時(shí)（a曲線(xiàn)），1為瞬時(shí)應(yīng)變，隨時(shí)間延長(zhǎng)趨于一定值2；溫較高時(shí)（b曲線(xiàn)），快速增加、穩(wěn)定增加、快速增加三個(gè)階段；溫度更高時(shí)（c曲線(xiàn)），穩(wěn)態(tài)蠕變更短，加速階段很快到來(lái)88圖5.3金屬材料的蠕變曲線(xiàn)示意圖溫度較低時(shí)（a曲線(xiàn)），1 b曲線(xiàn)穩(wěn)態(tài)蠕變中，蠕變速率與應(yīng)力和溫度有關(guān)：

=Anexp(-Q/RT)（阿累尼烏斯方程）

上式中，A、n：為材料常數(shù)

：所受應(yīng)力 Q：自擴(kuò)散激活能 R：氣體常數(shù) T：溫度蠕變產(chǎn)生的原因？高溫的作用？89 b曲線(xiàn)穩(wěn)態(tài)蠕變中，蠕變速率與應(yīng)力和溫度有關(guān)：23

纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料抗蠕變性能：

1）當(dāng)基體和增強(qiáng)體熔點(diǎn)接近時(shí)，二者均會(huì)發(fā)生高溫蠕變 2）脆性纖維增強(qiáng)時(shí)蠕變曲線(xiàn)類(lèi)似于a曲線(xiàn) 3）B、SiC纖維復(fù)合材料抗蠕變性能優(yōu)與基體合金90 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料抗蠕變性能：24（4）疲勞性能

疲勞斷裂：循環(huán)應(yīng)力(小于斷裂應(yīng)力)作用下的突然斷裂 S–N曲線(xiàn)：應(yīng)力極大值S（或）對(duì)循環(huán)次數(shù)N的對(duì)數(shù)圖 疲勞極限：規(guī)定循環(huán)次數(shù)為107時(shí)產(chǎn)生疲勞斷裂所需應(yīng)力91（4）疲勞性能25

纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料疲勞性能： 1）與拉伸強(qiáng)度比值達(dá)0.6~0.7，約為基體2倍！ 2）隨加入纖維強(qiáng)度及體積含量增高而增大 （軸向有最大值，徑向只有少量提高）92 纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料疲勞性能：26復(fù)合材料疲勞產(chǎn)生（與疲勞裂紋產(chǎn)生有關(guān)）

1）當(dāng)纖維與基體強(qiáng)度比值高時(shí)，纖維/基體界面起裂， 成為影響疲勞壽命的主要原因；2）當(dāng)纖維與基體強(qiáng)度比值低，裂紋擴(kuò)展速率影響疲勞壽命，而且裂紋將穿越纖維，造成較低的疲勞性能。93復(fù)合材料疲勞產(chǎn)生（與疲勞裂紋產(chǎn)生有關(guān)）27 高溫對(duì)纖維/金屬基復(fù)合材料疲勞性能影響：有所下降 （纖維性能退化、界面脫粘、基體脆性增加）

其它影響因素：纖維分布、表面缺陷、界面結(jié)合

弱的纖維/基體界面結(jié)合有時(shí)也會(huì)改善材料疲勞性能 （可形成二次裂紋或改變其方向，能延緩疲勞裂紋擴(kuò)展）94 高溫對(duì)纖維/金屬基復(fù)合材料疲勞性能影響：有所下降 （纖維性1.3.3顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的性能（1）強(qiáng)度和模量強(qiáng)度：與顆粒在基體中分布的平均間距Dp有關(guān) （Dp越小，屈服強(qiáng)度越高） 模量：與顆粒形狀有關(guān) （長(zhǎng)徑比值增大，對(duì)混合定律偏差減?。?51.3.3顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的性能29（2）斷裂韌性

影響因素：顆粒大小、顆粒及晶須取向

等

隨著直徑d增加、體積含量減少，復(fù)合材料斷裂韌性增加

PRMMC的斷裂韌性一般要優(yōu)于WRMMC（晶須前沿會(huì)造成應(yīng)力集中，容易引發(fā)裂紋）96（2）斷裂韌性30（3）蠕變性能 1）顆粒及晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料蠕變行為與纖維增強(qiáng)相當(dāng) 2）顆粒與晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料要比基體蠕變強(qiáng)度更高 3）與顆粒增強(qiáng)相比，晶須增強(qiáng)時(shí)蠕變速率更低97（3）蠕變性能31（4）疲勞性能

1）顆粒及晶須增強(qiáng)后疲勞強(qiáng)度、疲勞壽命比基體金屬高 2）顆粒增強(qiáng)與晶須增強(qiáng)時(shí)復(fù)合材料疲勞性能基本接近98（4）疲勞性能32晶須增強(qiáng)時(shí)疲勞裂紋萌生位置： 1）晶須端部或與基體的界面處 2）晶須密集處及顯微缺陷處

晶須增強(qiáng)時(shí)內(nèi)應(yīng)力形成： 1）界面有較大內(nèi)應(yīng)力（晶須與基體強(qiáng)度和變形能力不同） 2）晶須密集處或基體中顯微缺陷處存在較大內(nèi)應(yīng)力99晶須增強(qiáng)時(shí)疲勞裂紋萌生位置：33§3鋁基復(fù)合材料3.1顆粒（晶須）增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（1）增強(qiáng)顆粒（晶須） 增強(qiáng)顆粒（晶須）： 碳化硅、氧化鋁、

碳化硼、氧化硅、碳化鈦 增強(qiáng)體性能特點(diǎn)： 高強(qiáng)度、高模量、

高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性

100§3鋁基復(fù)合材料34（2）制備方法

固態(tài)法：粉末冶金法、熱等靜壓法、擠壓法

液態(tài)法：壓力鑄造法、壓力浸漬法、攪拌法、噴射法 （鋁熔點(diǎn)低，液態(tài)法較常用） 優(yōu) 點(diǎn)：制造方法簡(jiǎn)單、增強(qiáng)體價(jià)格低廉，應(yīng)用前景廣闊101（2）制備方法35（3）性能特點(diǎn)

SiCp/Al、SiCw/Al具有良好的力學(xué)性能和耐磨性能

強(qiáng)度&模量：比基體高

(增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)增大，性能提高)

一般說(shuō)來(lái)增強(qiáng)顆粒越小，則復(fù)合材料強(qiáng)度越高

熱膨脹系數(shù)：低于基體材料增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)增加則減小102（3）性能特點(diǎn)36

斷裂韌性：較之鋁合金

下降很多（脆性碳化硅顆粒）

耐磨性：較之鋁合金耐磨性增加很多（脆性碳化硅顆粒） 耐磨性甚至比鑄鐵還高 常用作汽車(chē)剎車(chē)片103 斷裂韌性：較之鋁合金下降很多（脆性碳化硅顆粒）37表5.5材料耐磨性比較磨痕寬度，mm稀土鋁硅合金66-12Al2O3纖維-鋁SiC顆粒-鋁高鎳奧氏體鑄鐵最大1.94751.5000.94251.1670最小1.84761.3250.8651.1275平均1.8971.4120.90371.1412104表5.5材料耐磨性比較磨痕寬度，mm稀土鋁硅合金66-123.2纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（1）分類(lèi)及制備方法 纖維分類(lèi)：長(zhǎng)纖維、短纖維（前者增強(qiáng)性能一般優(yōu)于后者） 制備方法：固態(tài)法（熱壓法、熱等靜壓法）

液態(tài)法（壓力鑄造法、浸漬法）1053.2纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料39（2）長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料

硼、碳、碳化硅、氧化鋁等纖維和不銹鋼絲a）硼纖維/鋁基復(fù)合材料（Bf/Al） 硼纖維：鎢、碳芯粗纖維（100–140微米）（CVD） 性能改進(jìn)：增強(qiáng)后基體合金性能有很大提高 （特別是高溫性能有很大提高）

Bf/Al性能受纖維直徑、方向、鋪排方式影響很大106（2）長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料40

室溫縱向拉伸強(qiáng)度和模量：比基體合金高

隨增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)增大而有很大提高

高溫縱向拉伸強(qiáng)度和模量：隨溫度升高而下降

下降不劇烈（500度保持一半強(qiáng)度，500MPa）

熱膨脹系數(shù)：取決于纖維熱膨脹系數(shù)

界面存在很大應(yīng)力集中（熱膨脹系數(shù)相差大）107 室溫縱向拉伸強(qiáng)度和模量：比基體合金高41b）碳纖維/鋁基復(fù)合材料（Cf/Al） 碳纖維：密度小、力學(xué)性能非常優(yōu)異、價(jià)格便宜 面臨問(wèn)題：與鋁浸潤(rùn)性差、高溫下容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng) （生成嚴(yán)重影響材料性能的Al4C3） 解決辦法：不直接使用，進(jìn)行表面處理（鍍金屬）108b）碳纖維/鋁基復(fù)合材料（Cf/Al）42Cf/Al制造方法：

擴(kuò)散結(jié)合：纖維黏附基體金屬，纖維重疊排列， 熱壓擴(kuò)散結(jié)合（纖維先驅(qū)體）

擠壓鑄造：纖維預(yù)成型體置于金屬膜中，適當(dāng)加熱， 加壓浸入熔融基體金屬、高壓冷卻凝固

浸漬法：纖維預(yù)制成型，浸入液態(tài)金屬冷卻凝固。

溫度過(guò)高（注意界面反應(yīng)控制）109Cf/Al制造方法：43c）碳化硅纖維/鋁基復(fù)合材料（SiCf/Al）

有芯纖維：鎢、碳芯經(jīng)化學(xué)氣象沉積制備（直徑較粗）

表面游離碳少、含氧量低，與鋁不易反應(yīng)

容易制備復(fù)合材料

無(wú)芯纖維：聚碳硅烷熱處理獲得（一束多絲）

表面有較多游離碳和氧，易和鋁反應(yīng)

制造復(fù)合材料比較困難110c）碳化硅纖維/鋁基復(fù)合材料（SiCf/Al）44纖維優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)異力學(xué)性能、較強(qiáng)高溫抗氧化能力(較之Bf、Cf)

與鋁相容性好（鋁合金的較好增強(qiáng)體）SiCf/Al制備方法：熱壓擴(kuò)散法、加壓鑄造法、浸漬法SiCf/Al性能：高抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和優(yōu)異耐磨性能

優(yōu)異高溫性能（400度以下強(qiáng)度降低很少）111纖維優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)異力學(xué)性能、較強(qiáng)高溫抗氧化能力(較之Bf、Cf)（3）短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料

纖維種類(lèi)：Al2O3、SiC

增強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)：增強(qiáng)體來(lái)源廣、價(jià)格低、成型性好 （可采用傳統(tǒng)金屬成型工藝如鑄、鍛、軋等）

性能特點(diǎn)：室溫拉伸強(qiáng)度無(wú)明顯改善，有時(shí)有降低

彈性模量在室溫和高溫都有較大提高

基體合金高溫性能得到很大提高

基體合金耐磨性有明顯改善

熱膨脹系數(shù)減小112（3）短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料463.3鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用（1）長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用航空航天領(lǐng)域（高比強(qiáng)度比模量、尺寸穩(wěn)定性好、價(jià)格貴）

Bf/Al：航天飛機(jī)機(jī)身框架及支柱、飛機(jī)起落架部件、 飛機(jī)機(jī)翼蒙皮、飛機(jī)垂直尾翼、導(dǎo)彈構(gòu)件、 多層半導(dǎo)體芯片支座散熱冷卻板 （導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體匹配）1133.3鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用47

Cf/Al：比模量高、導(dǎo)電導(dǎo)熱、尺寸穩(wěn)定性好 衛(wèi)星拋物面天線(xiàn)骨架（尺寸穩(wěn)定性好） 飛機(jī)某些構(gòu)件（有助于減輕重量）

SiCf/Al：飛機(jī)、導(dǎo)彈、發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫構(gòu)件（2）短纖維、顆粒、晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用 性能優(yōu)異，應(yīng)用前景廣闊，價(jià)格相對(duì)便宜（參閱教材74頁(yè)內(nèi)容）114 Cf/Al：比模量高、導(dǎo)電導(dǎo)熱、尺寸穩(wěn)定性好§4鈦基復(fù)合材料4.1概述

鈦合金：優(yōu)良的耐高溫性能、耐腐蝕性能、低的密度

性能不能滿(mǎn)足航空和航天等領(lǐng)域的進(jìn)一步要求

鈦基復(fù)合材料： 克服基體合金耐磨性、模量低的缺點(diǎn)

更高比強(qiáng)度、比模量

極佳耐疲勞、抗蠕變性能

優(yōu)異高溫性能、耐腐蝕性能115§4鈦基復(fù)合材料49

制備工藝特點(diǎn)：要經(jīng)歷800–1200度高溫暴露 容易和增強(qiáng)體發(fā)生界面反應(yīng)

基體合金選擇：TiAl(γ)、Ti3Al(α2)（良好高溫抗氧化性）

Ti2NbAl

（良好塑性、抗氧化性）

工業(yè)純鈦不適合（與SiC纖維有劇烈反應(yīng)）116 制備工藝特點(diǎn)：要經(jīng)歷800–1200度高溫暴露504.2顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料

工藝特點(diǎn)：簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)（較之纖維增強(qiáng)）

精密鑄造、粉末冶金、擠壓、鍛造

常用基體：TiAl（γ）、Ti3Al（α2）

常用顆粒：碳化硅、碳化鈦、碳化硼1174.2顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料51

顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料性能特點(diǎn)： 1）各向同性 2）硬度、剛度、耐磨性明顯改善 3）塑性、韌性、耐疲勞性能有所下降 4）室溫拉伸強(qiáng)度與基體相近甚至不如基體 5）高溫強(qiáng)度比基體合金好118 顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料性能特點(diǎn)：524.3長(zhǎng)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料

制備工藝： 成型工藝復(fù)雜

固相法（熱壓、熱等靜壓）

纖維與基體要求：物理參數(shù)要匹配（熱膨脹系數(shù)） 良好熱穩(wěn)定性

良好高溫性能

增強(qiáng)纖維：與